DE102009041023A1

DE102009041023A1 - Elektrodynamischer Energiewandler

Info

Publication number: DE102009041023A1
Application number: DE200910041023
Authority: DE
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2011-03-10
Also published as: DE102010020668A1

Abstract

Elektrodynamischer Energiewandler bestehend aus mindestens einem in einem Gehäuse federnd gelagerten Schwinger dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinger ein System aus teilweise gegenpolig angeordneten Dauermagneten und einem magnetischen Rückfluss darstellt und relativ zu mindestens einer Spule beweglich angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen auf eine hohe Leistungsdichte ausgelegten, durch mechanische Schwingungen angeregten, elektrodynamischen Lineargenerators für die Anwendung als Energy Harvester z. B. im industriellen oder Privatanwenderbereich. Die bisher erreichte Leistungsdichte elektrodynamischer Generatoren soll gesteigert werden, um den Anwendungsbereich zu erweitern.
In den letzten Jahren sind immer energiesparendere Sensoren, Elektronikschaltungen und Miniaturaktoren auf den Markt gekommen, die nur noch Leistungen von durchschnittlich wenigen Milliwatt benötigen. In vielen Fällen, z. B. bei schwer zugänglichen Anwendungen, sind Alternativen zur kabelgebundenen Energieversorgung vorteilhaft, bei Inselanwendungen sogar notwendig. Die in solchen Fällen oft eingesetzten Batterien besitzen eine geringe Leistungsdichte und Lebensdauer, belasten die Umwelt und erfordern bei langfristigem Einsatz oder hohem Energiebedarf kostspieligen Service für den Austausch.
Die Alternative ist Energy Harvesting, d. h. die Nutzung von Energie, die parasitär aus der Umgebung absorbiert werden kann. Dazu zählt z. B. die von Schwingungen, wie sie bei Maschinen und kleinen Geräten, in Fahrzeugen, in Gebäuden, auf See oder bei der Gehbewegung des Menschen auftritt bzw. parasitär erzeugt werden kann. Die Schwingungen weisen dabei einen Frequenzbereich von wenigen Hz bis zu mehreren kHz auf. Für eine große Einsatzbreite kann der Generator auf eine Frequenz von 50 Hz abgestimmt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen kostengünstigen elektrodynamischen Energiewandler bereitzustellen, mit dem die bisher erreichten Leistungsdichten gesteigert werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 – prinzipieller Aufbau der erfindungsgemäßen Lösung
Aufgrund geringer Streuung eignet sich für die Realisierung hoher Leistungsdichten ein rotationssymmetrisches Magnetfeld, wie es beim Tauchspulprinzip zur Anwendung kommt. Um eine hohe Robustheit zu erreichen, waren Reluktanzkräfte zu vermeiden. Dafür ist auf eine Relativbewegung zwischen Teilen des Magnetkreises verzichtet worden. Es wurde eine symmetrische Anordnung für vorteilhaftes Systemverhalten gewählt. Der magnetische Fluss, welcher abgesehen von den Arbeitsluftspalten nicht im Rückschluss geführt wird, war zu minimieren. Die aus diesen Forderungen resultierende effiziente Lösung für den federnd zu lagernden Magnetkreisaufbau ist in 1 gezeigt. Die Spulen sind ortsfest gegenüber dem Generatorgehäuse. Durch an die Flussrichtung angepasste Wicklungsrichtungen addieren sich die induzierten Spannungen.
Es kann gezeigt werden, dass Magnete aufgrund der im Rückschluss realisierbaren hohen Sättigungsflussdichte mittig anzuordnen sind. Die entgegengesetzte Polung resultiert aus der Forderung, V_S·k_Cu·B^2 im ersten Schritt zu maximieren und sorgt für eine konzentrierte Flussdichte. Das relevante B bezieht sich auf den radialen Feldanteil, da dieser aufgrund der Quellenfreiheit des magnetischen Feldes (2. Maxwellsche Gleichung) die Änderung des verketteten Flusses beschreibt. Eine sinnvolle Höhe der Magnete ist die dreifache Schwingerauslenkung. Bei erwarteter Schwingamplitude von 1 mm ergibt sich für die verwendeten FeNdB-Magnete (N52) die Höhe von 3 mm.
Als Lagerung mit geringem Volumen, hoher Seitensteifigkeit und ohne Gleitreibung wurden Membranfedern gewählt und in Ansys dimensioniert. Zur Anpassung der Federkraft wird die entsprechende Zahl der lasergeschnittenen Federn mit 0,1 mm bzw. 0,05 mm gestapelt. Hinsichtlich einer geringen mechanischen Dämpfung ist ein geringer Schwingerdurchmesser sinnvoll. Die Membranfedern begrenzen diesen nach unten, da ein Mindestdurchmesser zur Realisierung der Auslenkung notwendig ist. Für die Magnete wurde aus diesen Gründen der standardisierte Durchmesser von 12 mm gewählt. In Maxwell erfolgte eine parametrische Geometrieoptimierung zur Erzielung einer maximalen Leistungsdichte.
Mittels einer Gleichrichtung, einer Spannungsregelungselektronik und ggf. eines Ladungsspeichers kann der Generator als Energy Harvester genutzt werden.

Claims

Elektrodynamischer Energiewandler bestehend aus mindestens einem in einem Gehäuse federnd gelagerten Schwinger dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinger ein System aus teilweise gegenpolig angeordneten Dauermagneten und einem magnetischen Rückfluss darstellt und relativ zu mindestens einer Spule beweglich angeordnet ist.
Elektromagnetischer Energiewandler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Federn als Membranfedern ausgeführt sind.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfedern gestapelt sind.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Spule(n) von den Dauermagneten und dem magnetischen Rückfluss umfasst werden.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete und der magnetische Rückschluss miteinander fest verbunden sind.